台灯灯罩注塑模具的设计与数控加工

1、2012届本科毕业论文（设计）论文题目： 台灯灯罩注塑模具的设计与数控加工学生姓名： 所在院系： 机电学院所学专业： 机械设计制造及其自动化导师姓名： 完成时间： 2012年 5 月 18 日摘 要台灯是生活中常用电器，台灯灯罩大多采用注塑模具生产。本文以台灯灯罩为例，对台灯灯罩进行工艺分析，详细的介绍了Pro/ENGINEER软件在产品的三维造型、模具设计、数控加工中的应用。实现了Pro/E软件与实际加工的结合。详细论述了模具设计及数控加工的步骤，该模具的设计方法对于同类产品的模具设计具有一定的借鉴作用。关键词： Pro/E，注塑模，模具设计，数控加工，刀具路径AbstractThe Tab

2、le lamp is a common electrical appliance which used in daily life. Most of the Table lamp shapes are produced with injection mold. This paper will take Table lamp shapes for example to make processing analysis, and give detailed description on the Pro/ENGINEER software in the application of three-di

3、mensional modeling, mold design, CNC machining. It achieves the combination on Pro/E software and the actual processing. This paper also demonstrates detailed discussion on mold design and the steps of the CNC machining. The process of this mold design will give the similar products some reference.K

4、eywords: Pro/E, Injection mold, Mold design, CNC machining, Tool paths目 录1绪论11.1模具工业在国民经济中的地位11.2各种模具的分类和占有量11.3我国注塑模具的发展现状22 设计要求23 用Pro/ENGINEER软件对台灯灯罩进行三维建模24 塑件的成形工艺性分析34.1 塑件的尺寸精度及表面质量34.1.1 尺寸精度34.1.2 表面质量34.2 塑件的材料45用Pro/ENGINEER软件对台灯灯罩进行模具设计45.1 调入模具参考模型45.2 设置收缩率55.3 设置毛坯工件65.4 设计分型面65.5 浇口

5、的设计75.6 分割体积块75.7 抽取模具元件75.8 铸模95.9 开模96 用Pro/ENGINEER软件对台灯灯罩进行数控加工106.1 Pro/E数控加工简介106.2 台灯灯罩凸模的数控加工106.2.1 加工操作过程106.2.2 后置处理生成NC代码146.2.3 台灯凸模各个工序加工参数设置156.3台灯灯罩凹模的数控加工156.3.1 加工操作过程156.3.2 后置处理生成NC代码186.3.3 台灯凹模各个工序加工参数设置19结束语20致谢21参考文献221绪论 1.1模具工业在国民经济中的地位模具作为重要的工艺装备，在消费品、电器电子、汽车、飞机制造等工业部门有举足轻

6、重的地位1。工业产品零件粗加工的75%，精加工的50%及塑料零件的90%将由模具完成。随着模具工业的发展，目前世界范围内的模具年产值已达600亿美元左右。日、美等工业发达国家，其模具工业产值已超过机床工业产值。从1997年开始，我国模具工业产值也超过了机床工业产值。另外，随着塑料原材料的性能不断提高，各行业的零件将以塑代钢、以塑代木的进程进一步加快，使用塑料模具的比例将日趋增大。并且塑料制品在机械、电子、航空、医药、化工、仪器仪表以及日用品等各个领域的应用也越来越广泛，质量要求也越来越高。 1.2各种模具的分类和占有量模具主要类型有：冲模，锻摸，塑料模，压铸模，粉末冶金模，玻璃模，橡胶模，陶瓷

7、模等。除部分冲模以外的的上述各种模具都属于腔型模，因为他们一般都是依靠三维的模具形腔是材料成型2。（1）冲模：冲模是对金属板材进行冲压加工获得合格产品的工具。冲模占模具总数的50以上。按工艺性质的不同，冲模可分为落料模，冲孔模，切口模，切边模，弯曲模，卷边模，拉深模，校平模，翻孔模，翻边模，缩口模，压印模，胀形模。按组合工序不同，冲模分为单工序模，复合模，连续模。（2）锻模：锻模是金属在热态或冷态下进行体积成型是所用模具的总称。按锻压设备不同，锻模分为锤用锻模，螺旋压力机锻模，热模锻压力锻模，平锻机用锻模，水压机用锻模，高速锤用锻模，摆动碾压机用锻模，辊锻机用锻模，楔横轧机用锻模等。按工艺用途

8、不同，锻模可分为预锻模具，挤压模具，精锻模具，等温模具，超塑性模具等。（3）塑料模：塑料模是塑料成型的工艺装备。塑料模约占模具总数的35，而且有继续上升的趋势。塑料模主要包括压塑模，挤塑模，注射模，此外还有挤出成型模，泡沫塑料的发泡成型模，低发泡注射成型模，吹塑模等。（4）压铸模：压铸模是压力铸造工艺装备，压力铸造是使液态金属在高温和高速下充填铸型，在高压下成型和结晶的一种特殊制造方法。压铸模约占模具总数的6。（5）粉末冶金模：粉末冶金模用于粉末成型，按成型工艺分类粉末冶金模有：压模，精整模，复压模，热压模，粉浆浇注模，松装烧结模等。1.3我国注塑模具的发展现状我国注塑模具从起步到现在，历经半

9、个多世纪，有了很大发展，模具水平有了较大提高，在大型模具方面，已能生产大屏幕彩电塑壳注塑模具、大容量洗衣机全套塑料模具以及汽车保险杠和整体仪表板等塑料模具。精密塑料模具方面，已能生产照相机塑料件模具、多型腔小模数齿轮模具及塑封模具。用这些模具生产的一些塑料制件达到了国外同类产品的水平，但整体和国外相比仍有较大差距，具体数据见表1- 1表1- 1 国内外塑料模具技术比较项目国外国内项目国外国内注塑模型腔精度型腔表面粗糙度非淬火钢模具寿命淬火钢模具寿命0.0050.01mmRa0.010.05m1060万次160300万次0.020.05mmRa0.20m1030万次160300万次热流道模具使用

10、率标准化程度中型塑料膜生产周期在模具行业中的占有量80%以上70%80%一个月左右30%40%总体不足10%小于30%24个月25%30%2 设计要求台灯灯罩模具设计的具体要求：（1）利用Pro/ENGINEER软件对台灯灯罩进行三维建模。（2）利用Pro/ENGINEER软件对台灯灯罩进行模具设计。（3）利用Pro/ENGINEER软件生成数控NC代码。（4）利用校工厂数控机床对台灯灯罩进行数控加工。3 用Pro/ENGINEER软件对台灯灯罩进行三维建模采用三维建模技术构造塑料制品的三维实体模型并使之携带所需的各种特征信息，对于制件设计及其模具CAD、CAM与CAE都具有重要的意义。一方面

11、，三维实体图形能直观形象，详尽准确的描述制件的形状与结构，能很好的表达产品设计人员的设计思想；另一方面，制件建模作为模具CAD流程中初始信息输入的一个重要步骤，是模具结构CAD系统和数控加工及分析模拟软件不可缺少的部分3。Pro/ENGINEER是美国PTC公司研制的一套由设计至制造的一体化三维设计软件，它将产品从设计到生产加工的过程集成在一起，让所有用户可以同时进行统一产品的设计与制造工作。我们应用Pro/ENGINEER系统强大的三维建模功能，然后根据工程图就可以轻松的创建三维实体模型。创建好的台灯灯罩三维模型如图3- 1所示：图3- 1 台灯灯罩三维模型4 塑件的成形工艺性分析塑料成型的

12、加工方法很多，在很多情况下不需要经过车、铣、刨、磨等工序，一次即可成型。考虑到注塑工艺是生产塑料制品的关键方法之一。而且从原材料到成品直接成型，很少或者几乎不需要对成型塑件进行修整，生成效率高。因此对于本类产品，大多还是采用注塑成型。4.1 塑件的尺寸精度及表面质量4.1.1 尺寸精度塑件尺寸精度是指所获得的塑件尺寸与产品图中尺寸的符合程度，即所获得塑件尺寸的准确度。影响塑件尺寸精度的因素很多，如模具制造精度及使用后的磨损程度，塑料收缩率的波动，成形工艺条件的变化，塑件的形状等。一般来讲，为了降低模具的加工难度和模具制造成本，在满足塑件使用要求的前提下应尽可能把塑件尺寸精度设计得低一些。该塑件

13、是一般民用品，所以精度要求为一般精度即可4。根据常用材料模塑件公差等级和选用表（GB/T 14486）ABS的高精度等级为2级，一般精度等级为3级，根据模塑件尺寸公差表（GB/T 14486），公称尺寸315355范围内，取MT3B级公差数值为1.5mm。4.1.2 表面质量塑件表面质量包括表面粗糙度和表观质量等。（1）表面粗糙度塑件的外观要求越高，表面粗糙度值应越低。塑件表面粗糙度的高低，主要与模具型腔表面的表面粗糙度有关。一般说来，模具表面的表面粗糙度要比塑件低12级。模具在使用过程中，由于型腔磨损而使表面粗糙度值不断加大，所以应随时给予抛光复原。根据不同加工方法和不同材料所能达到的表面粗

14、糙度（GB/T 14234）查表的，ABS表面粗糙度Ra值为3.2m。（2）表观质量塑件的表观质量指的是塑件成形后的表观缺陷状态，如常见的缺料、溢料、飞边、凹陷、气孔、熔接痕、银纹、翘曲与收缩、尺寸不稳定等。它们是由于塑件成形工艺条件、塑件成形原材料选择、模具总体设计等多种因素造成的。4.2 塑件的材料本塑件采用ABS，ABS是由丙烯腈、丁二烯和苯乙烯三种化学单体合成。每种单体都具有不同特性：丙烯腈有高强度、热稳定性及化学稳定性；丁二烯具有坚韧性、抗冲击特性；苯乙烯具有易加工、高光洁度及高强度。ABS的特性主要取决于三种单体的比率以及两相中的分子结构。这就可以在产品设计上具有很大的灵活性，并且

15、由此产生了市场上百种不同品质的ABS材料。这些不同品质的材料提供了不同的特性，例如从中等到高等的抗冲击性，从低到高的光洁度和高温扭曲特性等。ABS材料具有超强的易加工性，外观特性，低蠕变性和优异的尺寸稳定性以及很高的抗冲击强度。5用Pro/ENGINEER软件对台灯灯罩进行模具设计在Pro/E的模具设计模块（Pro/MOLDESIGN）中，用户可以创建、修改、分析、模具元件及组件，并看根据设计模型的变化对它们进行快速更新。模具设计模块主要用于设计模具部件和模板组装，它包括设置注塑零件的收缩率；对一个型腔或多型腔模具进行概念设计；最模具型腔；型芯；型腔嵌入块；滑块；提升器和定义模制零件形状的其他

16、元件进行设计；在模具组件中添加标准元件；设计注塑流道和水道；在模具打开过程中检测元件是否干涉；分析设计零件是否是可塑的，对问题区域进行检测和修复。5.1 调入模具参考模型基于Pro/ENGINEER进行塑料模具设计的第一个步骤是创建模具装配模型。模具装配模型的创建就是将塑件的实体模型（我们称其为参照模型）与事先已经建立好的模具工件模型通过一些约束条件的设定装配在一起。参照模型创建好以后，将参照模型本身的基准面和基准轴隐藏，只显示模具的基准面和基准轴，效果如图5- 1所示。黄色箭头为开模方向。图5- 1 参照模型在我们开模前，我们可以利用Pro/ENGINEER软件对参照模型很方便的进行拔模检测

17、，以确定参照模型的脱模斜度是否符合要求。检测结果如图5- 2所示。图5- 2 拔模检测结果5.2 设置收缩率注塑成型的塑料制件从热的模具中取出后，因冷却及其它原因引起的尺寸减小或体积缩小的现象称为收缩性。收缩性是塑料的固有特性之一，因塑料种类及成型条件的不同而不同。为了得到符合设计要求的制件，设计模具时都要对收缩进行适当的补偿。准确的选择收缩率是保证塑件尺寸精度的关键。影响收缩率的因素很多，在确定收缩率时主要根据塑料品种、塑件形状及壁厚来考虑。对收缩范围较小的塑料，其收缩率一般取平均值，塑件形状及壁厚可不考虑。根据该制件的材料：ABS，常用的塑料材料ABS的收缩率为0.0040.007。根据本

18、塑件的机构形状，取收缩率为0.005。5.3 设置毛坯工件毛坯工件是一个完全包含参照模型的组件，通过分型面等特征可以将其分割为型芯、型腔等成型零件，如图5- 3 毛坯工件所示。在Pro/Moldesign模块中，通过以下手动方法创建毛坯工件。图5- 3 毛坯工件5.4 设计分型面为使产品从模具型腔内取出，模具必须分成型芯、型腔两部分，此接口面称之为分型面。分型面的位置选取与形状设计是否合理，不仅直接关系模具的复杂程度，也关系着模具制件的质量、模具的工作状态和操作的方便程度。因此，分型面的设计是模具设计中最重要的一步。为满足塑件的尺寸精度要求，分型面的选择原则如下5：（1）保证产品质量：如当产品

19、有同轴度要求时，可以将型腔放在模具同一侧以防止两部分错位。（2）产品脱模方便：分型面应使产品留在动模上，由于推出机构一般设置在动模一侧，将型芯设置在动模部分，产品冷却收缩后会包紧型芯，会使产品留在动模，有利于脱模。（3）型腔排气顺畅：型腔气体的排出，除了利用顶出元件的配合间隙外，主要靠分型面，排气槽也都设在分型面上，因此，分型面应尽量选取在塑料熔体流动的末端。（4）保证产品外观：如对于带圆弧的零件，为了保证圆弧处分型不影响零件外观，应当将分型面设置在圆弧顶部，使毛边产生在产品端面，去除后对产品外观无损。（5）有利于侧向抽芯：产品有侧凹或侧孔时，侧向滑块型芯应当放在动模一侧，这样模具结构会比较简

20、单。对于投影面积较大而又需侧向抽芯时，由于侧向滑块合模时的锁紧力较小，这时应将投影面积较大的分型面设在垂直于合模方向上。5.5 浇口的设计浇口可以设计成不同的结构。通常是区分为点浇口和测浇口。直浇口是浇口的一种特殊形式，它就和主流道相同。浇口设置好以后，我们重新对铸模再生，然后开模，开模示意图如图5- 7 开模示意图所示。5.6 分割体积块所谓建立模具体积块，就是将已经创建的工件一分型面为参考，分割为数个体积块，即动模和定模以及其他成型零件。模具体积块建立完成后，即可很方便地将其转换为三维实体模型。5.7 抽取模具元件在Pro/ENGINEER的模具设计中，我们可以通过抽取模具元件，将刚才分割

21、的体积块转化为三维实体模型。生成模具成型零件后，我们就可以再模型树中看到增加的零件文件。这些零件模型也是后期数控加工中所必不可少的参考模型。模具模型如图5- 4 凸模模具元件，图5- 5 凹模模具元件所示。 图5- 4 凸模模具元件 图5- 5 凹模模具元件5.8 铸模铸模也即是冲模仿真，当模具成型零件生成后，我们就可以利用Pro/ENGINEER系统通过仿真充填浇注系统及型腔等特征，最后生成单一实体特征的模塑零件。利用此步骤，可以发现最后生成的塑件的形状是否符合设计要求，另外也可以检测分型面是否正确，这种方法非常简单，操作起来方便快捷。铸造模型如图5- 6 铸造模型所示图5- 6 铸造模型5

22、.9 开模 铸模完成后，我们就可以利用开模仿真，通过选取移动元件，定义开模方向和距离，实现开模步骤的静态仿真。检查开模是否顺利进行，是否存在干涉。开模结果如图5- 7 开模示意图所示。图5- 7 开模示意图6 用Pro/ENGINEER软件对台灯灯罩进行数控加工6.1 Pro/E数控加工简介Pro/ENGINEER在设计NC加工制造流程上提供了功能强大的辅助制造工具Pro/NC加工制造模块，利用Pro/NC加工制造模块可以将设计产品时的计算机几何模型与计算机辅助加工制造进行集成结合，利用加工制造过程中所用到的各项参数，如参考模型、工件、夹具、刀具、机床及进给速度、主轴转速、跨距等加工参数，进行

23、产品加工制造的设计。6.2 台灯灯罩凸模的数控加工对整个台灯灯罩凸模进行分析以后，考虑到台灯灯罩的曲面比较多。具体的加工工艺方案如下：（1）利用“体积块”加工方式对整个工件进行粗加工，初步得到凸模外形。（2）利用“曲面加工”方式对整个零件进行精加工。（3）利用“轨迹加工”方式对于拐角处进行精加工。6.2.1 加工操作过程（1）建立数控加工文件利用Pro/E “制造”模块下的 “NC组件”建立数控加工模型，加载参照模型并手动创建加工工件，工件尺寸大小为360×160×45mm。如图6- 1所示。图6- 1 建立工件（2）操作设置机床名称接受系统默认名称“MACH01”，选择3

24、轴联动铣床，设置机床坐标系并将加工零点设置为跟机床坐标系重合，设置退刀平面沿Z轴方向远离工件上表面10mm如图6- 2所示。图6- 2 设置退刀平面（3）“体积块”粗加工模拟各项参数设置好以后，我们就可以利用Pro/E软件进行零件的加工模拟，这样就可以及时发现加工中存在的问题，以便对不合理的加工参数进行改进。“体积块”加工模拟如图6- 3所示。图6- 3 体积块粗加工模拟（4）对台灯灯罩凸模的曲面进行“曲面铣削”精加工加工模拟，模拟结果如图6- 4所示。图6- 4 曲面铣削精加工模拟（5）对台灯灯罩凸模的平面进行“端面铣削”精加工加工模拟，模拟结果如图6- 5所示。图6- 5 端面铣削精加工模

25、拟（6）对台灯灯罩凸模的圆角进行“曲面铣削”精加工模拟，模拟结果如图6- 6所示。图6- 6 曲面铣削精加工模拟（7）对台灯灯罩凸模的拐角处进行“轨迹铣削”精加工模拟，模拟结果如图6- 7所示。图6- 7 轨迹铣削精加工模拟6.2.2 后置处理生成NC代码对各个加工轨迹进行模拟仿真，过切检测以后，就可以利用Pro/E软件进行后置处理，生成机床控制器能够直接识别的数据文件。数控机床是根据NC代码文件完成零件的加工工作。生成的凸模NC代码效果如下所示：% tumojiagongN5 G71N15 G0 G17 G99N20 G90 G94N25 G0 G49N30 T1 M06N35 S500 M

26、03N40 G0 G43 Z10N45 X-3.41 Y-11.02N50 G1 Z-2 F300N55 X364.66N60 Y-7.084N65 X-3.41N70 Y-3.148N3840 G3 X360 Y166 I-4.66 J-3.779N3845 G1 X0N3850 X360N3855 Z10N3860 M30%6.2.3 台灯凸模各个工序加工参数设置序号刀 具进 给 率（mm/min）下刀速率（mm/min）退刀速率（mm/min）主轴转速(r/min)Z轴进给量（mm）加工余量（mm）(1)10球刀30050050050020.3(2)6球刀50050050010000.2

27、0(3)8面铣刀3005005008000.30(4)2球刀1005005003000.10(5)4面铣刀5007506006000.306.3台灯灯罩凹模的数控加工对整个台灯灯罩凹模进行分析以后，考虑到台灯灯罩凹模的曲面比较多。具体的加工工艺方案如下：（1）利用“体积块”加工方式对整个工件进行粗加工，初步得到凹模外形。（2）利用“曲面加工”方式对整个零件进行精加工。6.3.1 加工操作过程（1）建立数控加工文件利用Pro/E “制造”模块下的 “NC组件”建立数控加工模型，加载参照模型并手动创建加工工件，工件尺寸大小为360×160×45mm。如图6- 8所示。图6- 8

28、 建立工件（2）操作设置机床名称接受系统默认名称“MACH01”，选择3轴联动铣床，设置机床坐标系并将加工零点设置为跟机床坐标系重合，设置退刀平面沿Z轴方向远离工件上表面10mm如图6- 9所示。图6- 9 设置退刀平面（3）“体积块”粗加工模拟各项参数设置好以后，我们就可以利用Pro/E软件进行零件的加工模拟，这样就可以及时发现加工中存在的问题，以便对不合理的加工参数进行改进。“体积块”加工模拟如图6- 10所示。图6- 10 体积块粗加工模拟（4）对台灯灯罩凹模平面部分进行“端面加工”精加工加工模拟，模拟结果如图6- 11所示。图6- 11 端面精加工模拟（5） 对台灯灯罩凹模曲面部分进行

29、“曲面铣削”精加工加工模拟，模拟结果如图6- 12所示。图6- 12 曲面铣削精加工模拟（6）对台灯灯罩凹模圆角部分进行“曲面铣削”精加工加工模拟，模拟结果如图6- 13所示。图6- 13 曲面铣削精加工模拟6.3.2 后置处理生成NC代码对各个加工轨迹进行模拟仿真，过切检测以后，就可以利用Pro/E软件进行后置处理，生成机床控制器能够直接识别的数据文件。数控机床是根据NC代码文件完成零件的加工工作。生成的凸模NC代码效果如下所示：% aomojiagongN5 G71N15 G0 G17 G99N20 G90 G94N25 G0 G49N30 T1 M06N35 S500 M03N40 G0

30、 G43 Z10N45 X-1.368 Y-3.29N50 G1 Z3 F300N55 X359.962N60 Y.659N65 X-1.368N70 Y4.609···N1025 G2 X217.978 Y84.2 I-116.6 J-16.441N1030 G1 X217.978 Y84.2 Z-34N1035 X142.022N1040 Z10N1045 M30%6.3.3 台灯凹模各个工序加工参数设置序号刀 具进 给 率（mm/min）下刀速率（mm/min）退刀速率（mm/min）主轴转速(r/min)Z轴进给量（mm）加工余量（mm）(1)10球刀30050050050020.3(2)20面铣刀50050050010000.30(3)8球刀3005005008000.30(4)2球刀1005005003000.30结束语通过对上述模型进行零件造型、模具设计、数控加工等一系列的分析，使我对于Pro/ENGINEER软件在机械设计及制造中的应用有个更深一步的理解。实际生产应用中，有效的运用Pro/E软件强大的3D造型功能、模具设计模块、以及数控生产加工模块能极大地缩短产品的设计周